Від 3D-друку до 3D-друку органів. Наскільки далека людина від друку життя?

З 1980-х до сьогодні 3D-друк пройшов довгий шлях. Біологічний 3D-друк, як важлива галузь 3D-друку, досяг значного прогресу з часу, коли він був запропонований приблизно у 2000 році.

Звичайно, біологічний 3D-друк також має багато рівнів, включаючи виробничі структури без вимог до біосумісності, такі як 3D-друк виробів для планування хірургічного шляху, які широко використовуються в даний час, виробництво нерозкладаних продуктів з вимогами до біосумісності, таких як з’єднання з титанового сплаву, силіконові протези для ремонту дефектів і виробництво розкладаних продуктів з вимогами біосумісності, таких як активна керамічна кістка та розкладані судинні стенти. Але найважливішим і найбільш стурбованим є 3D-друк органів, які маніпулюють живими клітинами для створення біонічних тривимірних тканин.

Через прагнення людини продовжити життя, можна сказати, що друк органів була мрією людства протягом тисячоліть, а друкування життя є найвищим бажанням людства. Зараз люди намагаються поспішати назустріч головному бажанню людства.

Навіщо мені 3D друк органів?

Реалізація біологічного 3D-друку тісно пов’язана з тканинною інженерією та регенеративною медициною. Регенерація тканини є метою, тоді як тканинна інженерія є засобом.

Серед них концепція тканинної інженерії була запропонована американським китайським ученим Фен Юаньчженем і була визначена Національною науковою фундацією Сполучених Штатів у 1987 році. Тканинна інженерія стосується осадження клітин на біологічних каркасах для формування комплексів клітинного матеріалу, а також потім імплантувати каркаси, що містять клітини, в тіло, щоб викликати утворення відповідних тканин або органів за допомогою середовища in vivo, щоб досягти відновлення рани та функціональної реконструкції. Традиційний метод тканинної інженерії полягає в тому, щоб відокремити виготовлення скаффолдів від клітинної адгезії, але важко досягти осадження різних типів і щільності клітин у різних положеннях скаффолдів. Біологічний 3D-друк може реалізувати багатоклітинну просторову спрямовану маніпуляцію та контрольоване осадження клітин різної щільності, що лише вирішує поточні труднощі, з якими стикається тканинна інженерія.

Довгий час виробництво активних тканин або органів in vitro було метою невтомних прагнень людей. З одного боку, існує величезна прогалина в трансплантації органів. Поки багато медичних проблем, таких як ниркова недостатність і злоякісні пухлини, все ще лікуються за допомогою трансплантації органів. Проте в алогенній трансплантації органів завжди був дефіцит донорів. Як усередині країни, так і за кордоном, через недостатню кількість донорських органів рівень успішності підбору невисокий, і пацієнти, які потребують трансплантації органів, можуть лише чекати.

У Сполучених Штатах, за даними мережі обміну ресурсами органів США (UNOS), один пацієнт помирає кожні 1,5 години, тому що він не може дочекатися відповідної трансплантації органу, і понад 8 мільйонів пацієнтів щороку потребують операцій, пов’язаних з відновленням тканин. У Китаї, згідно зі статистичними даними, близько 1,5 мільйона людей щороку потребують трансплантації органів через кінцеву стадію органної недостатності, але лише близько 10 000 людей можуть отримати лікування трансплантацією органів щороку, а обмежене джерело живих органів не може задовольнити потреби пацієнтів.

Беручи як приклад трансплантацію нирки, 3000 пацієнтів трансплантують щороку, а попит досягає 300 000. Більшість пацієнтів можуть лише погіршити стан або навіть померти, чекаючи на ліганди. Водночас кількість пацієнтів, які потребують трансплантації органів у Китаї, як і раніше збільшується більш ніж на 10 відсотків щороку. Крім того, виникають реакції імунного відторгнення після трансплантації органів, що вимагає тривалого імуносупресивного лікування.

Зважаючи на це, терміново потрібен ефективний метод вирішення проблеми дефіциту донорських органів і реакції відторгнення при трансплантації органів. Поява та швидкий розвиток технології біологічного 3D-друку забезпечує абсолютно нове вирішення проблеми дефіциту тканин або органів - біологічний 3D-друк може безпосередньо друкувати живі органи або тканини in vitro або in vivo, використовуючи живі клітини, отримані з їхніх власних дорослих стовбурових клітин. індуковані та диференційовані in vitro як сировина, таким чином замінюючи органи чи тканини з втраченими функціями.

В даний час біологічний 3D-друк досяг певних досягнень у сфері трансплантації органів і застосовується для регенерації та реконструкції шкіри, кісток, штучних кровоносних судин, судинних шин, тканин серця та хрящових структур.

З іншого боку, поточні дослідження медичних механізмів потребують більш точних моделей in vitro. Традиційні рішення часто базуються на двовимірній культурі клітин і експериментах на тваринах. Однак метод, заснований на двовимірній культурі клітин, сильно відрізняється від тривимірного середовища в реальному організмі, і в деяких випадках можуть бути суперечливі результати, що робить еталонне значення обмеженим. Окрім багатьох етичних проблем у дослідах на тваринах, найважливішим є те, що існує велика різниця між внутрішнім середовищем тварин і середовищем людини.

Іншими словами, якщо клітини людини можна використовувати для реконструкції тривимірного середовища тканин або органів in vitro, дефекти існуючих рішень можна добре компенсувати, а конструкція тканин або органів in vitro, безсумнівно, може широко використовуватися в медицині. скринінг і вивчення механізму захворювання.

Те, що це принесе людям, — це стрибок вперед у прецизійній медицині та персоналізованій медицині. Зрештою, у фізичній структурі та патологічних станах кожної людини є особливості та відмінності, особливо у пацієнтів зі складними та рідкісними захворюваннями. Враховуючи високий ризик операції, лікарі можуть роздрукувати патологічні частини пацієнта у співвідношенні 1:1 за допомогою технології 3D-друку, щоб здійснити передопераційне планування та точні вправи для складних, рідкісних і складних випадків.

Це може не тільки надати лікарям точні тривимірні структурні дані для розробки хірургічних планів, але й попередньо переглянути весь хірургічний процес і покращити хірургічне планування за умови більш інтуїтивного та реалістичного, щоб підвищити точність реальної операції та зменшити хірургічний ризик. Крім того, для різних пацієнтів 3D-друк персоналізованих хірургічних посібників може ефективно зменшити травматизацію та кровотечу під час операції, значно скоротити час операції та підвищити точність операції.

Таким чином, порівняно з традиційними медичними технологіями, на основі поваги та освоєння індивідуальних відмінностей технологія 3D-друку може реалізувати реальні персоналізовані налаштування та зробити медичне лікування точнішим.

Майбутнє стає все більш ясним

У 2003 році Томас Боланд з Університету Клемсона успішно реалізував друк живих клітин, використовуючи модифікований принтер HP (h550c) і чорнильний картридж (hp51626a), буфер PBS, що містить клітини яєчників китайського хом’яка (CHO) і клітини мотонейронів ембріона миші як «біочорнило». і соєвий агар/колагеновий гель як «біопапір», і опублікував свою першу статтю про клітинний біодрук, про що повідомили ЗМІ, включаючи American Science Journal і CNN. У 2004 році дослідницька група подала заявку на перший патент на друк клітин і органів і отримала дозвіл на патент у 2006 році. Пізніше технологію було дозволено Organovo, відомій компанії з біологічного 3D-друку, зареєстрованій на NASDAQ.

Відтоді 3D-друковані органи також офіційно вийшли на смугу розвитку та принесли багато надій регенеративній медицині. У грудні 2010 року Organovo виготовила першу біодруковану людську кровоносну судину з використанням novogen MMX. З тих пір компанія також роздрукувала невеликі зразки скелетних м’язів, кісток і печінкової тканини, успішно імплантувала нерви в хребет і визначила довгостроковий план виробництва людських трансплантованих тканин. Спочатку цей друк на вимогу в основному зосереджувався на відновленні міокарда, трансплантації нервів або артеріальних сегментів, оскільки ці тканини відносно малі, їх легше друкувати, а також можливість клінічного застосування також більша.

У 2012 році шотландські вчені вперше використали людські клітини для друку штучної тканини печінки за допомогою 3D-принтера. Того ж року державний медичний центр Мічиганського університету створив штучну трахею за допомогою технології 3D-друку та здійснив першу в світі операцію з трансплантації людського органу, надрукованого на 3D-принтері. Це перший випадок, коли люди використовують 3D-друковані деталі для організації та реорганізації. Він був опублікований в New England Journal of medicine в травні 2013 року.

В іншій абсолютно іншій розробці в грудні 2012 року Organovo оголосила про співпрацю з Autodesk для створення першого програмного забезпечення для 3D-дизайну для біодруку. Він відкриває noven MMX для більшої кількості користувачів, тим самим покращуючи доступність і функціональність біодруку.

Як сказав Кіт Мерфі, голова правління та генеральний директор Organovo, довгострокова мета нового партнерства компанії з Autodesk полягає в тому, щоб «прагнути дати можливість клієнтам самостійно проектувати 3D-організації, а потім дозволити Organovo відповідати за виробництво». Так само, як скульптори тепер можуть завантажувати нові ювелірні вироби виробникам ювелірних виробів, вони можуть 3D-друкувати пластикові або металеві предмети. У майбутньому лікарі також зможуть надсилати електронні моделі трансплантованих артерій або цілих органів до Organovo для біодруку, а потім Organovo відпресує готову продукцію назад. У 2012 році журнал MIT Technology Review зарахував Organovo до числа 50 найбільш інноваційних компаній у світі, а в 2010 році журнал Time назвав novogen MMX одним із найкращих винаходів року.

У 2013 році перший у світі персоналізований продукт для 3D-друку peek skull implant (американська компанія OPM) був схвалений FDA. У лютому того ж року дослідники з Корнельського університету в США опублікували звіт про те, що вони використовували клітини бичачого вуха для друку штучних вух на 3D-принтері, які можна використовувати для трансплантації органів дітям з вродженими вадами розвитку.

У листопаді 2014 року Organovo випустила комерційно доступну 3D-друковану тканину печінки людини exvive3dtm для доклінічного тестування ліків.

У квітні 2015 року Organovo оголосила про перші в світі 3D-біодруковані дані цільноклітинної ниркової тканини на конференції з експериментальної біології в Бостоні. Поточна ниркова тканина може вижити лише кілька днів у звичайних лабораторних умовах, тоді як 3D-друкована ниркова тканина Organovo може проіснувати «щонайменше два тижні».

У Китаї професор Янь Юннянь з Університету Цінхуа приблизно в 2002 році очолив групу, яка провела дослідження технології біологічного 3D-друку. У 2004 році він очолив команду, яка завершила створення системи прямого запису на клітинах і клітинного друку, а також створила передову технологію біологічного виробництва на міжнародному рівні. лабораторія, відома як «перша людина в 3D-друку в Китаї».

У серпні 2013 року компанія Hangzhou genovo Biotechnology Co., Ltd. (скорочено regenovo) співпрацювала з вченими з Університету електронних наук і технологій Ханчжоу та інших університетів, щоб успішно розробити 3D-принтер, який може друкувати біологічні матеріали та живі клітини одночасно. У жовтні 2015 року genefit запустив третє покоління біологічної робочої станції 3D-друку, яка успішно «друкувала» одиниці печінки партіями для скринінгу ліків.

Сьогодні, з прогресом і зрілістю технології 3D біодруку, майбутнє 3D біодруку стає все яскравішим.

До 3D-друку органів

Однак світле майбутнє не означає, що процес йде гладко. Зрештою, біологічний 3D-друк — це міждисциплінарна галузь медицини, наук про життя, матеріалознавства, інформаційних технологій, тканинної інженерії, виробництва, клінічних випробувань тощо. Трьома найважливішими умовами для друку живого органу є клітини, каркаси та індукція.

Технологія прямого складання клітин означає пряме складання клітин або матеріалів клітинної матриці в бажані структури відповідно до 3D-моделей даних і остаточне формування живої тканини або органу шляхом подальшого культивування.

Технологія непрямого складання клітин полягає в створенні каркаса клітинної культури з біоматеріалів, потім прикріплення клітин до відповідних положень каркаса відповідно до необхідних структур за допомогою 3D-моделей, а потім спонукання клітин до виживання для культивування в живих тканинах і органах.

Однак ми повинні знати, що структура самого органу дуже складна, і в органі є більше однієї клітини. Як досягти складного розташування багатьох клітин і підтримувати їх ріст, все ще залишається важкою проблемою, з якою стикається друк органів. Візьмемо як приклад кровоносні судини. Кровоносні судини виглядають простими за структурою, але насправді, окрім кількох шарів різних структур клітинної тканини (типові кровоносні судини в основному складаються з ендотелію, гладких м’язів і фібробластів), стінка кровоносної судини також має функції вибіркової проникності, еластичність стінки кровоносної судини та антикоагулянт, що дуже ускладнює виробництво активних кровоносних судин in vitro для заміни хворих кровоносних судин in vivo.

Крім того, як переконатися, що матеріал каркаса нетоксичний і підходить для людського організму, щоб клітини могли нормально рости, і як індукувати ріст клітин, активувати друкований орган і повністю замінити вихідний орган, також є проблемою. бути вирішеним.

Нарешті, використання таких органів також призведе до низки міркувань про людську природу та мораль. Толерантне середовище громадської думки, яке дозволяє застосовувати суміжні технології, все ще будується. Цей сумнів щодо друкарських органів був повністю відображений у короткому науково-фантастичному романі «Центр подій» Ніді Околафера.

У романі новина про те, що нігерійському президенту Фенгмі пересадили серце, поширилася як лісова пожежа, викликавши національний резонанс. На відміну від нинішніх припущень вчених, штучне серце, виготовлене центром заходів для президента, більше не походить від тварин, а базується на рослинній тканині з використанням аутологічних стовбурових клітин і технології 3D-друку.

Навіть незважаючи на те, що ця технологія визріла в романі, у романі Іці, головний хірург зі Сполучених Штатів, все ще стурбований ефективністю операції. Якщо сумніви Іззі в основному пов’язані з успіхом чи невдачею самої технології, переворот, здійснений племінником президента Сіббі та колишнім генералом Оччуку, торкнувся іншої проблеми, спричиненої технологією: чи відбудуться серйозні зміни в темпераменті після трансплантації серця , чи навіть можливість бути контрольованим? Ця спекуляція не є безпричинною здогадкою. У реальному світі у багатьох пацієнтів, які перенесли трансплантацію печінки, протягом певного періоду часу відбуваються особистісні зміни, причиною яких можуть бути зміни ендокринної регуляції, викликані реакціями відторгнення.

Ключ до цього занепокоєння: що таке люди? Чи слід покладатися на повний набір оригінальних органів чи на тіло й розум, які можуть думати й діяти незалежно? Хоча розвиток технологій навряд чи залежить від волі людства, все ж необхідно бути обережним щодо подвійної природи технологій. Слід визнати, що серія запитань про те, хороші чи погані технології, часто є неминучим шляхом у процесі популяризації технологій, тобто «в минулому це було примхливо, зараз важко, а в майбутньому це прийнято». Зрештою, коли технологія створюється, нам найбільше потрібно дбати про те, як її найкраще використати.

Можливо, 3D-друковані органи обіцяли нам прекрасне майбутнє, але до того, як воно настане, нам ще потрібно правильно зрозуміти цю технологію, а не наділяти її технічною етикою та правилами використання - насправді біологічний 3D-друк ще далекий від досягнення початкова ідея друку органів та друку живих органів in vitro, які можна використовувати для трансплантації, ще має пройти довгий шлях.

важливий пункт